ТУРБИНА Российский патент 2012 года по МПК F01D9/04 F01D25/24 

Уровень техники

Конструкции паровых турбин состоят из неподвижных сегментов сопел, которые направляют поток пара во вращающиеся лопасти, соединенные с ротором. В паровых турбинах конструкцию сопла обычно называют ступенью диафрагмы. Обычные ступени диафрагмы конструируют, используя один из двух способов (см., например, патент США 7287956). Первым способом является способ "бандажа/кольца", в котором используют узел, состоящий из множества аэродинамических профилей, расположенных во внутреннем и внешнем бандажах, и затем этот узел бандажного аэродинамического профиля приваривают во внутреннее (перегородка) и внешнее кольца. Второй способ включает в себя приваривание аэродинамических профилей непосредственно к внутреннему и внешнему кольцам, используя угловой сварной шов в сопряжении. Второй способ обычно используют для больших аэродинамических профилей, в которых возможен доступ для обеспечения сварки.

Однако имеются недостатки для использования этих способов. Одним недостатком является присущее сварке искривление боковых стенок и пути потока и парового тракта. В этом отношении текущие способы конструкции сопла паровой турбины состоят из сварных швов высокого подвода тепла, использующих существенные количества металлического наполнителя, или глубоких сварных швов, полученных электронно-лучевой сваркой. Этот материал и подводимая теплота вызывают искривление пути потока и после сварки и снятия напряжения часто необходимо регулировать аэродинамические профили. Результатом искривления являются потери эффективности турбины в пути потока паровой турбины.

Другие способы, использующие конструкцию одиночного сопла в кольцах, еще имеют сварные швы и механические сопряжения, которые трудно моделировать и анализировать. Они также не являются столь прочными для уровня напряжения из-за сварного сопряжения и сопряжений между соплами. Другой способ заключается в расположении "крюков" на сопле и перемещении каждого сопла в кольцеобразную канавку в корпусе. Этот способ является также трудным и трудоемким для анализа, используя методы конечных элементов для напряжений. Кроме того, анализ частоты не является настолько прочным из-за определяющих факторов и изменяющихся граничных условий между соплами и корпусами.

Таким образом, в общем, текущие способы конструирования диафрагм сопел являются дорогостоящими и трудоемкими и в разработке, и в изготовлении, и все из текущих способов состоят из некоторого типа сварки или механического сопряжения между соплом и кольцами.

Конструкцию сопел "блинг" (bling) в настоящее время используют очень мало в конструкции паровой турбины. Блинг в основном является цельным путем потока сопла, который подвергают машинной обработке из двух половинок колец без сварки или сборки. Блинг имеет много ценных качеств конструкции. Во-первых, блинги имеют намного более низкие уровни напряжений, поскольку отсутствуют сварные соединения или механические трещины в пути нагружения. Во-вторых, допустимые отклонения аэродинамических профилей можно сильно улучшать с помощью сварки. В-третьих, они легче по конструкции и имеют больше определяющих характеристик частоты. В этом отношении трехмерное моделирование и анализ методом конечных элементов напряжения и частот являются более простым, более быстрым и более надежным из-за простоты конструкции.

Проблемой существующих конструкций блинг является сопряжение между несущим элементом и блингом. В большинстве конструкций диафрагм имеются "разрушающиеся штифты" или маленькие прокладки для поддержания допуска на уплотнение между диафрагмами и кожухом в осевом направлении. Прокладки действуют, чтобы поддерживать диафрагму, нагруженную в заднем направлении против поверхности, контактирующий с паром. Это способствует сборке и также удалению диафрагмы после продолжительной работы. В этом отношении после продолжительной работы на поверхностях происходит коррозия, и если диафрагма для сопряжения кожуха сжата на обеих осевых лицевых поверхностях, то будет очень трудно выводить ее, когда она будет стремиться запереться в пространство из-за коррозии. Блинги также "скатывают" или отклоняют нисходящий поток больше, чем скользящий в конструкции сопла. Во многих диафрагмах используют только разрушающиеся штифты на нижней половине (обычно 3), а верхняя половина имеет больший зазор для передней поверхности. Это время от времени обеспечивает возможность смещения верхней половины диафрагмы с задней поверхности и прохождение частиц за лицевую поверхность и вызывание пути утечки.

Раскрытие изобретения

Задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является создание турбины с улучшенным сопряжениям между блингом и корпусом для улучшения распределения нагрузки.

Указанная задача решается посредством турбины, содержащей узел сопла турбины, имеющий по меньшей мере один аэродинамический профиль статора и включающий в себя внутреннюю боковую стенку на радиально внутреннем конце аэродинамического профиля статора и внешнюю боковую стенку на радиально внешнем конце аэродинамического профиля статора, и корпус, имеющий открытую радиально внутрь канавку, при этом внешняя боковая стенка выполнена с возможностью скользящего взаимодействия с канавкой в радиальном направлении, при ограничении перемещения в осевом направлении относительно нее, передняя контактная область между внешней боковой стенкой и корпусом содержит переднее периферийное посадочное место, образованное на расположенной выше по потоку обращенной назад поверхности канавки, смежной радиально внешней торцевой стенке канавки, причем переднее периферийное посадочное место имеет осевую поверхность, образованную в радиальной плоскости, которая расположена позади и на расстоянии в осевом направлении от остальной части расположенной выше по потоку обращенной назад поверхности канавки, при этом переднее периферийное посадочное место имеет радиальный размер, по существу меньший, чем радиальный размер канавки, а задняя контактная область между внешней боковой стенкой и корпусом содержит заднее периферийное посадочное место, образованное на одной из расположенной ниже по потоку обращенной вперед поверхности канавки и расположенной ниже по потоку осевой поверхности внешней боковой стенки, причем заднее периферийное посадочное место расположено смежно радиально внутреннему участку канавки, отдаленному от радиально внешней торцевой стенки канавки, при этом заднее периферийное посадочное место имеет радиальный размер, по существу меньший, чем радиальный размер канавки, причем заднее периферийное посадочное место образовано на расположенной ниже по потоку осевой поверхности внешней боковой стенки.

Техническим результатом, который достигается посредством настоящего изобретения, является улучшение сборки и демонтажа блингов, улучшение уплотнения поверхности, контактирующей с паром, а также уменьшение отклонения нисходящего потока, что в совокупности приводит к повышению эффективности работы турбины и позволяет решить указанную задачу изобретения.

Переднее периферийное посадочное место предпочтительно образовано углублением, выполненным в корпусе.

Заднее периферийное посадочное место предпочтительно образовано углублением, выполненным машинной обработкой во внешней боковой стенке.

Заднее периферийное посадочное место предпочтительно расположено для взаимодействия с радиально внутренним участком канавки, отдаленным от радиально внешней торцевой стенки канавки.

Внешняя боковая стенка предпочтительно содержит сегмент внешней боковой стенки, приваренный к внешнему кольцу, которое расположено в канавке с внешней боковой стенкой.

Сегмент внешней боковой стенки предпочтительно имеет плоскую радиально внешнюю поверхность, которая взаимодействует с плоской радиально внутренней поверхностью внешнего кольца.

Внешнее кольцо предпочтительно проходит частично по окружности и приварено к множеству сегментов внешней боковой стенки.

Турбина предпочтительно дополнительно содержит уплотнение между обращенной назад поверхностью канавки и расположенной выше по потоку поверхностью внешней боковой стенки.

Уплотнение предпочтительно представляет собой V-образное или W-образное уплотнение.

Краткое описание чертежей

Эти и другие цели и преимущества настоящего изобретения станут более понятными и оценены внимательным изучением следующего более подробного описания предпочтительных примерных вариантов осуществления изобретения, приведенных в комбинации с прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 представляет собой схематичный вид обычной ступени, имеющей сопловую диафрагму, образованную с использования способа бандажа/кольца;

фиг.2 представляет собой схематичный вид обычной ступени, имеющей сопловую диафрагму, образованную с использованием конструкции типа блинг;

фиг.3 представляет собой схематичный вид конструкции сопряжения сопла/корпуса блинг согласно первому примерному варианту осуществления изобретения;

фиг.4 представляет собой увеличенный схематичный вид поверхности сопряжения блинг/корпуса на фиг.3;

фиг.5 представляет собой увеличенный схематичный вид сопряжения блинг/корпус с передним уплотнением согласно другому примерному варианту осуществления изобретения; и

фиг.6 представляет собой схематичный вид синглетной конструкции согласно еще одному примерному варианту осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Как отмечено выше, с конструкцией сопла блинг формы аэродинамических профилей разрезаны на два 180° кольца для образования ступени блинг. Это устраняет механическую посадку и сварную часть изготовления, решая упомянутые выше проблемы. Изобретение относится, в частности, к улучшенной конструкции сопряжения между внешним кольцом блинг и корпусом. Конструкция служит нескольким целям. Она улучшает сборку, обеспечивая возможность облегчения в соответствующих областях дополнительного размещения блинга в кожухе. Кроме того, она улучшает последующий демонтаж, поскольку после продолжительной работы возникает коррозия между сопряжением блинг и кожуха. Она также уменьшает способность блинг отклонять нисходящий поток из-за стратегически размещенных контактных областей. Более того, она улучшает контактное давление между блингом и кожухом, таким образом улучшая уплотнение поверхности, контактирующей с паром.

На фиг.1 показана обычная конструкция ступени турбины импульсного типа, в которой используют перегородки, бандажи и кольца, сваренные в узел. Более конкретно, в этой обычной конструкции используют узел 10 диафрагмы, состоящий из множества аэродинамических профилей 12, расположенных во внутреннем и внешнем бандажах 14, 16, которые приваривают в сварные швы 18, 20, 22, 24 во внутреннее кольцо (перегородку) 26 и внешнее кольцо 28.

На фиг.2 показана обычная конструкция блинг.Более конкретно, в этой обычной конструкции блинг используют разрушающийся штифт или маленькую прокладку 130 для поддержания допуска на уплотнение между диафрагмой 132 и кожухом 134 в осевом направлении, как показано у поверхности, контактирующей с паром, или осевой контактной поверхности 136. Как упомянуто выше, это способствует сборке и также удалению диафрагмы после продолжительной работы. Также показано горизонтальное соединительное болтовое отверстие 138 и сальниковое уплотнение 140, расположенное в сопряжении между блингом 110 и ротором 142.

Как отмечено выше, в общем настоящее изобретение относится к деталям механического сопряжения между корпусом (кожухом) и установленным в нем соплом типа блинг. Ключом к конструкции является стратегическое размещение сопряженных деталей с корпусом и исключение "разрушающихся штифтов" из конструкции. Первая особенность сопряжения состоит в передней (или расположенной выше по потоку) внешней контактной области, образованной, например, поднутрением (рельефом) на стороне кожуха. Этот рельеф на стороне кожуха обеспечивает маленькую контактную область, которая только взаимодействует после того, как блинг почти полностью находится в канавке кожуха. Это обеспечивает простоту сборки. Кроме того, улучшает демонтаж, потому что контакт является очень маленьким и разъединяется, как только блинг немного поднимают.

Задняя поверхность, или поверхность, контактирующая с паром, также имеет очень маленькую контактную область. Размещение углубления на блинг в этой ситуации обеспечивает возможность для быстрого отсоединения от канавки кожуха при демонтаже оборудования. Это также уменьшает проблему коррозии только для маленького периферийного посадочного места, чтобы уменьшать возможность "залипшего" или замороженного соединения, при демонтаже оборудования через несколько лет. Другое основное преимущество этого маленького периферийного заднего посадочного места заключается в том, что оно способствует концентрации осевой нагрузки блинг на маленькой области. Это в свою очередь уменьшает утечку через поверхности, контактирующую с паром.

Другим основным преимуществом или усовершенствованием этой конструкции по сравнению с обычными прямыми стенками, разрушающимися штифтами и большим передним зазором поверхности, является способность этой конфигурации ограничивать отклонение блинг. Когда блинг находится под паровым трактом, нагрузка его стремится устранить нисходящий поток во внутренней кольцевой области из-за аэродинамических нагрузок (давления) на аэродинамический профиль. Конструкция, в которой используют крюки на соплах при перемещении в канавку корпуса, сильно ограничивает отклонение нисходящего потока из-за сопряжения крюка. При помещении блинга в канавку часть полезного пути нагружения уходит на уменьшение отклонения. Конфигурация этой конструкции в показанных примерных вариантах осуществления имеет переднее внешнее посадочное место и внутреннее посадочное место. Пара, имеющая относительно узкий зазор в переднем сопряжении, ограничивает качение части внутри канавки. Разделение этих двух поверхностей обеспечивает возможность нагруженной паре противодействовать частичному отклонению расположенного ниже по потоку блинга.

Если взятая в целом лицевая поверхность была прямой с узким зазором, тогда может возникать существенная проблема с коррозией, вызывающей "замораживание" частей на месте, делая трудным демонтаж, если не невозможным, не разбирая на части оборудования. Если взятые в целом поверхности были прямыми и передняя поверхность имела большой зазор и разрушающийся штифт, как в конструкции, показанной на фиг.2, то отсутствует необходимость ограничивать отклонение (качение) блинга.

На фиг.3 и 4 показан примерный вариант осуществления изобретения, в котором вместо разрушающегося штифта, расположенного между блингом 210 и кожухом или корпусом 234, в корпусе выполнено маленькое периферийное посадочное место 244. Более конкретно, блинг состоит из аэродинамического профиля (аэродинамических профилей) 212 и внутренней и внешней боковых стенок 214, 216. В варианте осуществления фиг.3 и 4 внешняя боковая стенка размещается в проходящей по периферии канавки 246 кожуха или корпуса 234. Маленькое периферийное посадочное место 244 образовано в виде осевой контактной поверхности вдоль расположенной выше по потоку стороны канавки 246, смежной с торцевой стенкой 248 канавки, таким образом обеспечивая ограниченный контакт между корпусом 234 (кожухом) и для уменьшенного отклонения (вращения) нисходящего потока, и для простоты сборки, потому что она обеспечена вместо локального зазора или разрушающегося штифта 130.

Поверхность 236, контактирующая с паром, также предусмотрена для ограниченного контакта по сравнению, например, с конструкцией блинг на фиг.2. Более конкретно, как показано, маленькое периферийное посадочное место 250 предусмотрено на расположенной ниже по потоку осевой поверхности внешней боковой стенки 216 для взаимодействия с кожухом или корпусом 234. В этом примерном варианте осуществления маленькое периферийное посадочное место 244, канавки 246, кожуха и маленькое периферийное посадочное место 250 на поверхности, контактирующей с паром, образованы посредством выполнения периферийного углубления 252 в кожухе или корпусе 234 и машинной обработки блинга 210 для создания периферийного углубления 254, направленного радиально наружу посадочного места 250, контактирующего с паром.

На фиг.5 показана схематичная иллюстрация, подобная фиг.4, но иллюстрирующая введение V-образного или W-образного уплотнения 256 между корпусом 234 сопла и внешним кольцом 216 блинга. Можно также использовать С-образное уплотнение. Уплотнение невозможно в большинстве случаев в обычных конструкциях, поскольку передняя часть диафрагмы, в которой его соединяют с кожухом, имеет большой зазор и имеет большой допуск, поскольку предусмотрен разрушающийся штифт. Теперь, когда зазор поддерживают для более тугого допуска и он является непрерывной поверхностью, можно вводить уплотнение, которое приводится в действие давлением или пружины при использовании конструкции блинг.

Сопряжение кольца/корпуса, предложенное в вариантах осуществления фиг.3-5, можно также применять к конструкции "синглета", как показано на фиг.6. Это одиночное сопло 310 со своей внутренней и внешней боковыми стенками 314, 316 подвергают машинной обработке вместе с аэродинамическим профилем 312. Внешнюю стенку 316 сопла синглета затем приваривают к жесткому внешнему кольцу 358, используя маленькие осевые передний 360 и задний 362 сварные швы, как сварные швы при низкой температуре для подходящей конфигурации блинг. Узел сопла синглета и внешнего кольца затем помещают в соответствующую канавку 346 корпуса 334 сопла. Узел сопла (внешнее кольцо 358 и приваренные к нему сопла) не приваривают к корпусу. Узел сопла можно перемещать в радиальном направлении в канавке корпуса. Как в варианте осуществления фиг.3 и 4, маленькое периферийное посадочное место 344 образуют путем протачивания канавки 346 кожуха по периферии как в углублении 352 на расположенной выше по потоку стороне узла сопла и образуют маленькое периферийное посадочное место на поверхности 350, контактирующей с паром, углубляя подвергающееся машинной обработке 354 жесткое кольцо 358 на расположенной ниже по потоку стороне узла сопла.

Механические элементы сопряжения между синглетом и внешним кольцом используют как узел и выравнивающие элементы, при этом обеспечивая улучшенную надежность и уменьшенный риск. В этом отношении, механическая блокировка между кольцом 358 и соплами 310 означает, что в случае повреждения аэродинамического профиля, кольца и сопла не могут переместиться назад, поскольку имеется механическое сопряжение, препятствующее разрушению узла ввиду давления. Кроме того, механическая блокировка служит для цели предварительно определенного и повторного сварного ограничителя. В этом отношении луч сварки (предполагая электронно-лучевую сварку) остановится, когда он натолкнется на радиальное взаимно блокированное сопряжение. Дополнительное преимущество варианта осуществления фиг.6 состоит в том, что радиально внешнюю поверхность внешней боковой стенки 316 сопла образуют как торец вместо более дорогостоящего периферийного отрезанного конца. В примерном варианте осуществления фиг.6 имеется внутреннее кольцо 364, которое механически запирают и припаивают или приваривают к внутренней боковой стенке 314 сопла или просто механически запирают в сопле.

Хотя изобретение было описано в связи с тем, что, как теперь полагают, является самым практичным и предпочтительным вариантом осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытым вариантом осуществления, а, напротив, предназначено, чтобы охватывать различные модификации и эквиваленты, включенные в объем и сущность прилагаемой формулы изобретения.

Перечень элементов:

узел 10 диафрагмы;

аэродинамические профили 12;

внутренний и внешний бандажи 14, 16;

сварные швы 18, 20, 22, 24;

внутреннее кольцо 26;

внешнее кольцо 28;

блинг 110;

разрушающийся штифт или маленькая прокладка 130;

диафрагма 132;

кожух 134;

поверхность, контактирующая с паром или осевая контактная поверхность 136;

соединительное болтовое отверстие 138;

сальниковое уплотнение 140;

ротор 142;

блинг 210;

аэродинамический профиль (профили) 212;

внутренняя и внешняя боковые стенки 214, 216;

корпус (кожух) 234;

поверхность 236, контактирующая с паром;

периферийное посадочное место 244;

проходящая по окружности канавка 246;

торцевая стенка 248;

периферийное посадочное место 250;

периферийное углубление 252;

периферийное углубление 254;

V-образное или W-образное уплотнение 256;

одиночное сопло 310;

аэродинамический профиль 312;

внутренняя и внешняя боковые стенки 314, 316;

корпус 334 сопла;

периферийное посадочное место 344;

канавка 346;

периферийное посадочное место 350;

углубление 352;

углубление 354;

жесткое внешнее кольцо 358;

осевые передний 360 и задний 362 сварные швы;

внутреннее кольцо 364.

Турбина содержит узел сопла, включающий, по меньшей мере, один аэродинамический профиль, внутреннюю боковую стенку, внешнюю боковую стенку и корпус, имеющий открытую радиально внутрь канавку. Передняя контактная область между внешней боковой стенкой и корпусом содержит переднее периферийное посадочное место, образованное на расположенной выше по потоку обращенной назад поверхности канавки, смежной радиально внешней торцевой стенке канавки. Переднее периферийное посадочное место имеет осевую поверхность, образованную в радиальной плоскости, которая расположена позади и на расстоянии в осевом направлении от остальной части расположенной выше по потоку обращенной назад поверхности канавки. Переднее периферийное посадочное место имеет радиальный размер, по существу меньший радиального размера канавки. Задняя контактная область между внешней боковой стенкой и корпусом содержит заднее периферийное посадочное место, образованное на одной из расположенной ниже по потоку обращенной вперед поверхности канавки и расположенной ниже по потоку осевой поверхности внешней боковой стенки. Заднее периферийное посадочное место расположено смежно радиально внутреннему участку канавки, отдаленному от радиально внешней торцевой стенки канавки. Заднее периферийное посадочное место имеет радиальный размер, по существу меньший, чем радиальный размер канавки. Заднее периферийное посадочное место образовано на расположенной ниже по потоку осевой поверхности внешней боковой стенки. Изобретение позволяет упростить сборку и разборку турбины. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Турбина, содержащая
узел сопла турбины, имеющий по меньшей мере один аэродинамический профиль статора (212) и включающий в себя внутреннюю боковую стенку (214) на радиально внутреннем конце аэродинамического профиля статора и внешнюю боковую стенку (216) на радиально внешнем конце аэродинамического профиля статора, и корпус (234), имеющий открытую радиально внутрь канавку (246), при этом
внешняя боковая стенка (216) выполнена с возможностью скользящего взаимодействия с канавкой в радиальном направлении, при ограничении перемещения в осевом направлении относительно нее,
передняя контактная область между внешней боковой стенкой и корпусом содержит переднее периферийное посадочное место (244), образованное на расположенной выше по потоку, обращенной назад поверхности канавки, смежной радиально внешней торцевой стенке (248) канавки, причем переднее периферийное посадочное место имеет осевую поверхность, образованную в радиальной плоскости, которая расположена позади и на расстоянии в осевом направлении от остальной части расположенной выше по потоку, обращенной назад поверхности канавки, при этом переднее периферийное посадочное место имеет радиальный размер, по существу, меньший, чем радиальный размер канавки, а
задняя контактная область между внешней боковой стенкой и корпусом содержит заднее периферийное посадочное место (250), образованное на одной из расположенной ниже по потоку, обращенной вперед поверхности канавки и расположенной ниже по потоку осевой поверхности внешней боковой стенки, причем заднее периферийное посадочное место расположено смежно радиально внутреннему участку канавки, отдаленному от радиально внешней торцевой стенки (248) канавки, при этом заднее периферийное посадочное место (250) имеет радиальный размер, по существу, меньший, чем радиальный размер канавки (246), причем заднее периферийное посадочное место образовано на расположенной ниже по потоку осевой поверхности внешней боковой стенки.

2. Турбина по п.1, в которой переднее периферийное посадочное место образовано углублением (252), выполненным в корпусе.

3. Турбина по п.1, в которой заднее периферийное посадочное место образовано углублением (254), выполненным машинной обработкой во внешней боковой стенке.

4. Турбина по п.3, в которой заднее периферийное посадочное место (250) расположено для взаимодействия с радиально внутренним участком канавки (246), отдаленным от радиально внешней торцевой стенки (248) канавки.

5. Турбина по п.1, в которой внешняя боковая стенка содержит сегмент (316) внешней боковой стенки, приваренный к внешнему кольцу (358), которое расположено в канавке (346) с внешней боковой стенкой.

6. Турбина по п.5, в которой сегмент (316) внешней боковой стенки имеет плоскую радиально внешнюю поверхность, которая взаимодействует с плоской радиально внутренней поверхностью внешнего кольца (358).

7. Турбина по п.5, в которой внешнее кольцо (358) проходит частично по окружности и приварено к множеству сегментов (316) внешней боковой стенки.

8. Турбина по п.1, дополнительно содержащая уплотнение (256) между обращенной назад поверхностью (252) канавки (246) и расположенной выше по потоку поверхностью внешней боковой стенки (216).

9. Турбина по п.8, в которой уплотнение (256) представляет собой V-образное или W-образное уплотнение.